具有传感器元件的传感器以及用于制造传感器元件的工艺的制作方法
【专利说明】具有传感器元件的传感器以及用于制造传感器元件的工艺
[0001]本发明涉及用于路径或距离测量的电感传感器的传感器元件、包含该传感器元件的传感器、以及用于制造该传感器元件以及该传感器的工艺。
[0002]实践中，用于标准应用的用PCB基板上的平面线圈实现的MDS传感器是令人熟知的。在该MDS变体中，薄铁磁箔附接于测量线圈或附接于发射机。这可以以各种方式发生。以下是以前的解决方案，因为它们在实际应用中是令人熟知的:
[0003]铁磁箔是借助于粘合层(双面胶带或具有粘合层的载带)固定到箔载体的。箔载体优选是具有以下特征的电路板:铜表面(涡电流传感器)或者紧接在该箔将应用于的区域下方的一其他线圈或两个彼此毗邻而置的导电线(发射机)。为了使干扰最小化(例如通过接触)，铜表面必须位于相对于评估电子设备确认的电位上，或者与附加线圈必须有接触。在任一情况下，都有必要创建接触的可能性。人工处理对于小数量而言是实用的。
[0004]本发明基于指定以下的任务:用于路径或距离测量的电感传感器的传感器元件、包含该传感器元件的传感器、以及用于制造该传感器元件或该传感器的过程，其中自动化生产(尤其针对较大数量的生产)有可能有重复性结果。
[0005]期望传感器元件和传感器在生产起来是成本高效的。
[0006]以上提及的目标用协调专利权利要求1、8和13的特征来解决的。相应地，根据本发明的传感器元件表示通过磁场区分的传感器元件，所述磁场根据到测量对象的距离而变化但在时间上是恒定的。铁磁材料在该工艺中被集成到基板中。
[0007]有用于以有利的方式提供和实现本发明的教导的各选项。关于该主题，一方面应当对从属于权利要求1的各权利要求作出引用，并且另一面在附图的帮助下对本发明的优选实施例的以下描述作出引用。连同基于附图对本发明的优选示例性实施例的解释，也说明了教导的其他一般优选的实施例和实现方式。附图示出:
[0008]图1是具有根据本发明的传感器元件的根据本发明的平面传感器(具体为分别具有两个铁磁箔和两个导电箔的MDS)的示例性实施例的示意图，
[0009]图2是就其本身被认为公知的磁导率μ相对于磁场强度H的曲线的示意图，
[0010]图3是具有根据本发明的传感器元件的根据本发明的传感器的示例性实施例的示意图，其中箔载体被装配于具有线圈的电路板上，
[0011 ]图4是进一步实施例的不意图，据此猜包被应用于电路板，
[0012]图5是电路板层结构的示意图，
[0013]图6是在电路板生产期间作为带被插入的箔带的示意图，以及
[0014]图7是用于高温应用的MDS的示意图。
[0015]平面传感器的实现变得最接近于由底层任务引起的要求。在最简单的情况下，该结构由箔和平面线圈组成。这可以通过在线圈尚未被覆盖的一侧添加其他箔来在传感器灵敏度方面被改进。进一步的扩大效果通过另外将导电的、非铁磁箔(例如，由铜或铝制成)附加于软磁箔远离线圈的相应侧来实现。这在图1中示出。
[0016]线圈在一频率范围内工作，在该频率范围内，穿透深度具有与箔厚度相同的大小。在图2中作为示例示出取决于场强、并由此取决于影响磁场的相对磁导率的曲线。随着磁体接近并且经过其最大值后，相对磁导率下降。下降坡度是MDS的工作范围。作为此的结果，如通过计算涡电流的穿透深度而容易理解的，穿透深度在软磁箔中增加。由于软磁箔是导电的，因此涡电流在其内部形成，这些涡电流发展成与涡电流传感器的磁场相反的磁场。为了使由此引起的预衰减保持得尽可能低，箔应当显示出尽可能小的电导率。
[0017]在工作范围开始处，也就是说当磁体进一步远离时，磁导率高且穿透深度低，使得涡电流传感器实质上仅受箔的磁导率的影响。这导致线圈的电感升高。在工作范围结束处，也就是说当磁体距离近得多时，磁导率非常低，使得电导率(相反的场)的衰减特征占优势。与此同时，穿透深度增加到超过箔的厚度，其结果是涡电流降低且由此相反的场也变得更弱了。这导致测量效果的减弱。在穿透深度超过软磁箔的厚度的情况下，根据图1中的实施例的附加的导电、非铁磁箔导致附加的涡电流，该附加涡电流具有低特定电阻以及接近I的相对磁导率的优点，并且即使在穿透深度超过铁磁箔时仍会影响线圈。这抵消了通过磁导率变化所确定的测量效果的减少。
[0018]然后，涡电流传感器在非常小的磁体距离的情况下以与其在将对具有很小距离的导电材料进行测量的情况下会表现出的方式相当的方式表现，由此就像铁磁箔不存在一样。涡电流传感器线圈于是具有最小的感应率。在涡电流传感器的两侧上的对称结构在磁体的影响下引起非常大的阻抗方面的变化，该变化可以容易地达到超过100%。这样的大测量效果导致高的分辨率及传感器灵敏度。自此可以清楚地理解，所得到的传感器特征也取决于结构相关的参数。通过灵巧的布置线圈和箔的以及通过设计形状及形式，可以用磁导率的下降坡度在磁体距离和测量信号之间产生接近线性关系。
[0019]如果被构造为“发射机”，则MDS的功能可以针对穿透深度及因此遮蔽效应被同样地描述。铁磁箔位于两个线圈之间，为了提供经济效益，每一个线圈都是使用印刷电路技术来实现的。根据图2所示的原理特征曲线以及假定工作仅发生在ymax右边，则得到以下效果:
[0020]在大的磁体距离的情况下，箔中的有效μΓ也很大，并因此遮蔽效果也很大。第一线圈(初级线圈)对第二线圈(次级线圈)上的耦合因子很小。因此，所传送的电压幅度也很小。随着磁体靠近，相对磁导率一直下降至最小值，该最小值对应于距该磁铁的最近可能位置。该情况下，相对磁导率最小，并且由此初级侧和次级侧之间的磁耦合最大。于是，次级线圈上可测量的电压幅值处于其最大值。信号放大可以简单地通过两个线圈之间的匝数比来实现。该结构也显示出对磁体的位置的非常大的敏感度，并且提供不需要分析阻抗而是仅需要分析电流或电压幅值的额外好处。这里也能清楚知道，结构公差直接响应于传感器元件的再现性。发射机在最小配置下也可以用仅仅两个带状导体的形式来实现，该两个带状导体并定位成彼此接近并且经由软磁箔耦合。
[0021 ]为了使散射在两个情况下都保持尽可能低并且仍能无削减地实现这一点，有必要在安全生产工艺中实现这一传感器的构造。
[0022]如果箔载体被实现为如图3所示的电路板，则这可以包含层叠的铜箔。软磁箔被应用于板的相反侧，也就是说被应用于印刷电路板侧。板被装配为电路板。线圈是集成的。通过焊接剂或通过焊接工艺，板的距离且因此箔到线圈的距离仅仅有条件地可再现的。
[0023]如果箔载体被实现为板，则焊接表面可以被横向地附接或附接于相反侧。应当注意，这些焊接表面取决于粘合层和铁磁箔而表征出距测量平面线圈的特定间隙。这仅可以通过相应地将焊接剂应用于上述实施例上来桥接。据此，自动化的、标准化的组件是可行的。由于测量线圈到铁磁箔之间的间隔直接反映测量结果，因此由于视工艺波动以及焊接剂的增加应用而定的间隙公差，必须考虑以此方式生产的各测量元件之间的增高的散射。焊接工艺期间附加的加权减少或箔载体的支撑可以作出改进。然而，这是附加的努力并且与标准化制造相对。
[0024]可以从根据图4的实施例中提取到改进，根据该实施例，软磁箔被安装于铜箔(无板)上作为一个元件。更准确地说，这里箔载体被实现为进一步的导电箔(仅可能在具有附加导电层的变体中)。在上游的工艺步骤中，铁磁箔在粘合层的帮助下被应用于导电箔(铜、铝等等)。这可以发生在例如辊乳工艺中。以此方式得到的箔包可以同样地被自动装配。压力的附加实例有助于工艺稳定性。铜表面的接触通过焊接点到铜箔上的设置而得到。对于此工艺，存在以下可能性:
[0025]箔包装覆盖印刷在边缘处的焊接剂，其中铜箔应当投射在铁磁箔上或者附加的局部焊接应当在实际焊接工艺下游。这确保了具有同等尺寸的各箔部分之间的安全导电连接。除了材料变化的影响以外，各传感器元件间的间隔主要受到箔包装相对于测量线圈的布置准确性的影响。但是粘合层的厚度的变化也影响该控制，即使在显著较小程度情况下作为焊接工艺中的上述间隔。
[0026]可以参照图5详细描述允许制造工艺在标准化工艺中发生的显著步骤，根据该步骤，线圈、软磁箔、以及铜箔(若可应用的话)被集成在一电路板或板中。这个的目的是创建传感器模块，该传感器模块与结构组件一样可被置于任意电路板或更一般地被置于任意电路载体上。线圈被再次通过电路板构造产生:
[0027]在线圈层以及一个或多个绝缘层之后，铺设铁磁箔(参照图6)。一个(或多个)其他绝缘层被定位在铁磁箔顶部。以此方式可以构建最简单的传感器模块。其他导电层或(诸)线圈层允许如同在开始处描述的结构(发射机或涡电流传感器)。
[0028]为了进一步增加具有附加铜层的传感器模块的敏感度，该层结构可以按与线圈层对称的方式在另一方向上被补充。外部铜表面可以借助于附加的清漆(阻焊)来保护。线圈和箔的几何形状以及模块尺寸和传感器模块的各功能部件之间的间隔可以根据可应用的测量要求来调整。针对导电表面的线圈连接和接触表面可以通过金属化边缘或者也在表面上金属化来横向地实现。横向接触选项简化了自动化工艺中的装配之后的光学测试，通过对各个别层的附加连接稳定了该结构，并且可以仅用传感器模块的最小扩容来产生。两个接触变体都允许表面上的自动化安装(SMD)。铁磁材料为带状的，或者为平面箔的形式。
[0029]如果是带状的，则在最简单的情况下，该材料应当在被引入之前被切割成适当的条，其中条长度可以对应于传感器模块长度的倍数。切割成期望模块长度是通过在生产面板中分隔已完成的传感器模块而发生。如果箔的区域内的贯穿连接是必须的并且到该箔的电接触必须被避免(如果信号线要被运行或者箔在另一位置继续，则情况是这样的)，则铁磁条必须在相应的区域中被处理，例如通过穿孔(punching-out)来处理。然而，生产线圈所必需的贯穿连接也可以被实现为“盲通孔”，使对箔的进一步